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毕业设计说明书数字化超声波清洗电源系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书数字化超声波清洗电源系统设计摘要本文超声波清洗技术拥有着清洗速度快、效率高、易于实现自动化、效果好等许多优点，所以它在医药、机械、化工和电子等很多行业中的应用十分广泛。超声波清洗电源系统主要有三部分组成，分别是清洗槽、超声波电源和换能器，本设计当中主要需要研究的是超声波电源的设计，在这里要做的主要工作有：1、研究和分析换能器的阻抗特性，从理论上去说明和证实利用电流和电压的相位差能够当作频率跟踪系统的参数。2、在以现在逆变技术和直流开关电源的基础上对超声波电源的主电路进行设计并制作，最后还需要调试电路。3、运用软件和硬件相互之间结合的方法，研究和设计基于单片机和压控振荡器的PWM信号发生器。这个方法不仅能够完成超声波电源的数字化控制还能让保障逆变输出信号的频率分辨率。4、利用相位差的控制方法研究和设计超声波电源的频率自动跟踪。设计了一种新型的锁相环控制电路，硬件主要采用了单片机、低通滤波器、压控振荡器和电荷泵鉴相器。5、由于在使用单频超声清洗的时候会因为驻波产生清洗的盲区而导致清洗不均匀的情况，振荡器的控制信号利用的是积分电路输出的三角波，并设计和研究了扫频工作模式。最后经过了对理论进行设计和分析之后，参照设计的电路开始对实物的制作，然后再根据实物去验证设计的电路，最后得出实验的结果和修改部分错误设计，保证设计能比较完整和可行。关键词： ATmega128；超声波电源；PWM信号发生器；频率跟踪；Digital ultrasonic cleaning power system designAbstractWith the advantages of satisfactory cleaning effect，high efficiency, fast speed and easy automation，the ultrasonic cleaning equipment is widely applied in industries of electronics，chemical，machine，medicine. The ultrasonic cleaning system include three parts：generator, transducer and cleaning channelThe main purpose of this thesis is to research and design an ultrasonic powerThe main work of this thesis includes：1、Based on studying the impedance of the transducer, the paper illustrates why phase difference can be used as a control parameter in automatic frequency tracking system2、the Switched Mode Power Supply and inverter technology have been applied when designed the main circuit of the ultrasonic power supply, and the circuit is tested3、Using HW/SW CO design technique，A PWM Signal Generator Based on VCO and MCU is designedThe meaning of the innovation is to realize digital control of the ultrasonic power supply, with high frequency resolution4、Based on the phase difference control method，A new kind of phaselocked loop circuit，which consists of chargepump、LTC6900、LPF and MCU，is designedThe experiment result shows that the circuit completed by the author works well and it can track the frequency of transducer automatically5、To improve the cleaning effect，the PFM working mode is designed by using the triangle waveform generated by integrator as a control signal of the VCO，Tests show that the PFM working mode can make the sound field become homogeneous and provide satisfactory cleaning effectFinally, the circuit is fabricated on the basis of analyzing and studying，and also，the design is verified by experimentThe result shows that the power has high reliability，excellent regulation performance and high application valueKeywords：Ultrasonic power supply，frequency tracking，PFM control， ATmegal28，digital PWM signal generator;中北大学2015届毕业设计说明书目录第一章 绪论11.1 超声波技术的发展历史11.2 超声波清洗的现状以及发展趋势21.2.1 超声波清洗技术的现状21.2.2 超声波清洗技术的发展趋势21.3 控制技术在超声波电源里的应用3第二章 超声波电源系统的基本原理52.1 超声波电源系统的构成52.2 分析超声波电源频率跟踪的理论基础62.3 介绍超声换能器的阻抗特性92.4 本章小结11第三章 研究与设计超声波主电源123.1 研究与设计整流滤波电路123.2 研究与设计高频逆变电路143.3 选择合适的逆变电路功率开关器件153.4 设计IGBT缓冲电路的设计163.5 驱动电路的设计183.6 高频变压器的设计203.7 研究与设计匹配网络223.7.1 阻抗匹配223.7.2 调谐匹配223.8 本章小结24第四章 研究与设计关于超声波电源的控制系统254.1 关于ATmega128单片机254.2 控制系统的总体结构264.3 PWM信号的发生电路274.3.1 信号的发生电路设计274.3.2 基于ATmega128单片机的PWM产生原理284.4 研究与设计频率跟踪控制系统294.4.1 关于锁相控制的原理304.4.2 设计和分析频率控制电路314.5 研究与设计过流保护电路314.6 研究与设计人机接口电路324.7 本章小结32第五章 总结和展望33参考文献34致谢37第II页 共II页中北大学2015届毕业设计说明书第一章 绪论工业化生产，卫生保健和环境保护等方面应用十分广泛。据具体研究的内容容，超声波工程学主要的两大邻域分为检测超生和功率超生1。在过去的几年中，我们国家非常重视对超声波的研究和应用。超声波工程学在优点: 清洗效果好、速度快、易于实现自动化和效率高等2。和各种物理的、化学的、机械的清洗方法相比较，超生波清洗是最理想、最有效的一种。在大部分的生产企业中，压力冲洗和振动清洗以及传统刷洗这些工艺方法已渐渐被超声波清洗技术所替代。本设计中研究的超声波清洗就是功率超生中一个非常重要的部分，它主要的原理是在清洗液中放入被清洗物件，然后往清洗液里辐射超生从而达到清洗目的的工艺过程。在跟传统的清洗方法作比较时，不难发现超声波清洗洗具拥有很多独特的1.1 超声波技术的发展历史近年来，声学的发展当中发展非常迅速的就是超声波技术这个部分,如今它在国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域都有着非常重要的作用3。1995年9月首届世界超声学大会在德国召开，预示着超生学将拥有强劲发展的趋势。科学家们发现了将一定频率的超声波作用在液体介质里面，就能够完成清洗的目的。经过长时间研究与试验, 终于取得了满意的成果，并且发现其拥有着极高的清洗效率,因此超声波清洗机慢慢在各行各业中中发挥着巨大的作用4。在超声波清洗机的应用初期,因为受到电子工业以及其他方方面面的限制，超声波清洗电源拥有庞大的体积,而且它稳定性及使用期限都非常不理想，并且它的造假非常昂贵，大部分的工矿企业都难以接受这么高的成本，但因为它超高清洗效率及出色的清洗效果，所以部分实力雄厚的国有企业依旧对其十分青睐5。伴随着后来电广业的发展越来越快，各种新生代的电子元器件层出不穷，在使用了新的电子线路和电子元器件后，超声波电源进一步的提高了其稳定性和使用寿命，体积变得更小，它的价格以及成本都在也逐渐的降低。在二十世纪八十年代末，最新的第三代超声波电源出现，即逆变电源，他运用的是电子元件是最新的产品，这种新的超声波电源因为拥有着使用期限长、体积较小、可靠性较高等特点并且使其拥有的清洗效率能够进一步的得到提高，所以它的价格也大幅度的降低，让大部分企业都可以承受。在国家的经济发展中,超声波清洗做出了巨大贡献，它提高了产品的质量,不仅能大大的降低成本还能够让设备运行安全并且安全的生产，提高了生产效率并且具有非常大潜在能力。所以,近年来,我国对超声技术的研究与应用给予了高度重视6。1.2 超声波清洗的现状以及发展趋势1.2.1 超声波清洗技术的现状由于超声波清洗具有质量好、速度快，又对环境污染比较小，因此，现在许多的工业部门中都采用了超声波清洗而放弃了传统清洗方法。特别是PCB板的清洗、电子元器件的基体清洗；在生产连接件和接插件以及转接器等器件的过程当中，在进行电镀与组装之前必须要进行清洗，不然这些吸附组装零件上的油污、灰尘将会影响到它的导电和绝缘性能，在一些非常复杂的多芯连接器中非常的重要。对加工成型后的电子材料的清洗也非常适合用超声波清洗技术。与常规清洗方法比较的话，超声波清洗在安全、清洗的效果、节能、生产效率等方面都有着非常大的优势，特别是一些工件的表面非常复杂的，例如一些表面不仅有盲孔还凹凸不平的机械零部件；以及一些体积特别的小，然而却要求清洁度比较高的产品，比如：电子元器件、钟表零件以及一些精密机械的零件、电路板组件等。对于超声清洗的电路原理来说，首先是超声波电源向换能器发出高频振荡信号，然后将这种信号转变成为高频机械振荡并将它传送到清洗溶剂当中，在最后，在超声波清洗液里面疏密相同将会向前辐射，这样液体会流动从而产生大量密集的微小气泡，从而实现清洗的目的8。超声波清洗技术主要是利用了超声波在三种在液体环境特有的作用于液体或者污物，对它们进行着直接或者间接的作用，使污物层被剥离、乳化、分散从而实现清洗的目的，这三种特有的作用分别是：直流作用、空化作用以及加速度作用。空化作用和直进流作用是当前超声波技术中运用的最广泛的7。1.2.2 超声波清洗技术的发展趋势近年来，由于各种新技术不断的出现并被应用于清洗技术之中。比如，由于生物技术的高速发展，在酶和微生物中越来越多的用到了超声波清洗技术。这里运用到了的是生物化学反应。于是，如果我们只是人为简单的将清洗分为几类，这样已经不能完完全全实现当前超声波清洗技术高速发展的现实状况9。工业超声波清洗对于很多工业活动都有着剪不断的关系，很多都是一个产品生产过程中的一个部分。所以清洗并不是一个最终的产品。但是却是许多工业生产过程中的一个局部工序。在一些传统工业中，清洗流程可能被人们看做一个非常简单的操作流程，所以很容易就被忽视了。但是他们却忘记了这是个非常重要的环节，对物品清洗的彻底与否决定着产品最终的性能和质量。尤其是超声波清洗机清洗技术在现今许多的的高科技产业中有着非常优秀的表现。1.3 控制技术在超声波电源里的应用电力电子开关器件的发展对开关型超声电源的发展有着非常重要的影响。电力电子开关器件的发展先后经历了双极型开关管、VDMOS管和IGBT三个阶段,其工作频率也从工频,低频,中频发展到高频。控制技术伴随着电力电子器件的发展也高速的发展着。由最开始分立元件构成的控制电路,到后来使用了集成控制器构成的控制电路,发展到最后使用的是计算机控制的控制电路10。现在它朝着高频率、低损耗、全数字化的方向在发展着。模拟控制电路存在太多的问题，性能局限性非常大，所以使用数字控制取代掉模拟控制,这样就能够去除掉温漂等一些缺点,对参数设定与调节有着非常大的好处。使用数字控制方式的话,它能够利用修改程序软件,非常便捷的去调整控制方案,这样就能完成许多不相同的控制策略,而且还能够去简化掉一些硬件结构和使电源系统的可靠性增加。在这之外,数字控制还能够自动的保存数据和自动诊断故障,这对完成智能化的运行电力电子装置有极大的帮助11。一般完成超声波电源的数字化控制有三种方法。(1)采用单片机控制因为单片机有着效率高、功能强、性能可靠、速度快等优点所以应用十分的广泛。它在超声波电源系统当中被用作为电路的主控芯片,它的主要任务是完成故障诊断、信号生成、数据采集及运算、参数调节等12。除此之外,它还能监控了一些过流过热等情况并及时对它进行中断保护,并且它还能够和功率管以及转换器配合去完成脉宽调制的功能。所以,单片机有着灵活多样的控制功能,但是他的缺点是它的控制精度和工作频率相互矛盾了,并且也无法满足高频电路的处理速度。(2)采用DSP控制最近几年发展起来的一种最新的可编程处理器就是DSP。和单片机作比较的话，DSP拥有更高的集成度、更快的CPU速度，更大存储器的容量。DSP在经过了并行处理技术之后，它就完成多条指令需要的时间仅仅是一个指令周期，并且因为对哈佛结构进行了修改，DSP存储数据的同时还能存储程序。在这之外，DSP还拥有着速度非常高的数据运算能力13。DSP几乎能够实现在超声波电源系统中除功率变换之外的全部功能。DSP肯定也有着它的局限性，比如在采样频率的选择、运算时间及精度、PWM信号频率及精度等情况下，它们都会影响到电路的控制性能。(3)采用FPGA控制FPGA是一种可重构的器件，它能够根据用户需要任意设定它内部的逻辑功能，它拥有着集成度高、处理速度快等优点。对于FPGA的结构能够分成三个部分，分别是可编程逻辑块、可编程IO模块以及可编程内部连线。FPGA拥有非常大的集成度，几万甚至几十万个等效门都能够集成在一片FPGA上面，所以，完成非常复杂的逻辑仅仅需要一片FPGA14。FPGA拥有着成本低、体积小和可靠性好等优点，所以在条件取样速率高、操作少和数据率高的场合当中比较适合。本设计主要需要完成的工作有以下几方面：(1)分析换能器在它的谐振频率周围的阻抗特性，阐述了采用相位差作为频率自动跟踪系统控制参数的理论依据。(2)研究和设计超声电源的主电路，主要有高频变压器和匹配电路、整流滤波电路、IGBT驱动电路、全桥逆变电路等。(3)研究与设计以PWM技术为基础的超声电源控制系统。分别研究和设计控制系统的各大功能模块。主要有人机接口电路、PWM信号发生电路、过流保护电路、信号采样电路、扫频电路和频率跟踪电路等。 ”(4)通过实物制作去验证设计的可行性。第二章 超声波电源系统的基本原理超声波清洗机主要有三部分构成，分别是清洗槽、超声电源以及换能器，它们三者之间互相协调着去完成清洗的任务，这当中换能器和超声波电源是两个最重要的部件15。这里面超声波电源的主要作用使能够产生出超声频电能并将它传送给换能器，然后换能器再将电能转变为机械振动输出，所以它的各种参数对超声波清洗机的性能有着直接的影响。这里将分别对超声换能器的电阻抗特性和超声波电源系统超声波电源也被称作超声波发生器和超声波功率源，它主要是用作将市电转变成能够与换能器相匹配的超声频电信号。超声波清洗电源系统的组成部分一般有换能器、信号发生器、功率放大器、反馈电路和阻抗匹配电路等部分构成16。图2-1-1是它的原理图。的构成等做一个较为详细的介绍。2.1 超声波电源系统的构成信号发生器功率放大器阻抗匹配电路换能器反馈电路图2-1超声波电源原理图 (1)信号发生器信号发生器的作用是产生出一个能和超声换能器谐振频率相同频率的电信号，这个电信号推动着功率放大器的工作。它不仅能够是正弦信号还能是脉冲信号。信号发生器能够产生出来的信号比较微弱，因此功率很小不能够直接驱动换能器，所以需要使用功率放大器将它的电压和电流都进行放大。功率放大器的结构形式主要有甲类、乙类、丙类和甲乙类等。这当中将有源器件当成电流源工作的一般(2) 功率放大器是传统的甲类、乙类和甲乙类功放，因此在它们进行着功率放大的时候，有源器件工作在伏安特性曲线的有源区，这种情况下它的集电极上将会产生非常大的电流和电压，这样就会大大的增加有源器件的功耗，让电路的放大效率大大的降低了17。然而对于丙类功率放大器来说，它运用的是选频滤波和调制开关技术，这样就使放大电路的效率有了非常大的提高，在理论上它的能量转换效率能够达到100%，就算在实际的应用当中它的效率也是高于90的。所以现阶段对信号放大广泛使用的是丙类功放。(3) 阻抗匹配电路电源电压一定的时候，超声波电源负载阻抗密切的影响着输出功率的大小。所以为了能够取得额定功率最大的电源输出，电源的输出阻抗和负载必须是相互匹配的。所以在电源电路中增加阻抗匹配电路是十分必要的18。(4) 换能器换能器主要是被用作将超声电源提供的电能转变成为机械振动输出，以达到超声波清洗的功能。(5) 反馈电路反馈电路的主要作用是提供频率反馈信号和输出功率反馈信号。对于频率反馈信号来说，因为温度变化以及负载变化等因素，清洗机在工作的时候换能器的谐振频率将会产生漂移，这时如果不及时调整，那么换能器的工作将处于失谐状态，这会让它的效率下降，严重的话还会停止振动19。在这种情况下，就能够利用频率反馈信号去控制住超声波电源，这样它的输出频率才能够在一定范围内跟踪着负载换能器的谐振频率。然后对于输出功率反馈信号来说，在负载或者电网电压发生变化的时候，也会导致电源的输出功率发生改变，这样的话就会造成换能器工作非常不稳定，它的机械振动就会一会大一会小。因此能够通过设计出功率反馈电路来让负载换能器稳定的工作，这样就能够依据功率反馈信号而相对应的去调节功率放大器，让电源系统的工作稳定。2.2 分析超声波电源频率跟踪的理论基础设激励信号的角频率为，在正弦波电压信号的激励下，串联谐振支路的阻抗为： （2.1）式(2.1)中，阻抗实部ReZ(jw)=R1是一个常数，虚部是一个和角频率相关的函数，它随着变化的规律，也就是电抗的频率特性曲线如图2-2-1。图2-2-1串联电抗的频率特性曲线据图2-2-1可以得到，当0时，X（）0时，X()0,电路呈感性。当=0时，这时 (2.2) (2.3)在阻抗的虚部的时候，电路呈现的是纯阻性。这种状态我们将其叫做串联谐振，这个时候的角频率0被叫做串联谐振角频率，其数值是 (2.4)与其相对应的串联谐振频率是 (2.5)由此可知，串联谐振频率f0仅与L1和C1有关。在电路发生谐振的时候，下面的现象将会发生：(1)等效电抗等于零，等效阻抗是阻抗的最小值，即支路中的电阻R1。这个时候，电路中的电流在电压信号的激励下就能够达到最大值，而且这时的激励电压和电流的相位相同。 (2.6)(2)感抗与容抗的值相等，由式2.1可以知道电容的电压相量和电感的电压相量大小相等，相位角相反，这样电抗电压相量 (2.7)激励信号电压相量 (2.8)这样就基本等于将激励信号电压全部作用于电阻R上，而且电感电压和电容电压就会相互之间抵消。下面再看并联谐振电路部分的特性。同样假设激励信号角频率为，在正弦波电流信号的激励下，R1L1C1联谐振电路的导纳为： (2.9)导纳实部为一常数，虚部是关于角频率的函数，它随变化的规律，也就是电纳的频率特性曲线如图2-2-3。图2-2-2并联电纳的频率特性曲线 由图2-2-2可以得知，当0时，B()0,电路呈容性；当0时，B()0，电路呈感性。当=0时，电路处于并联谐振状态，这时，电感的电流相量和电容的电流相量大小相等，相位角相反，因此激励信号电流相量 (2.10)即并联谐振时，电感电流和电容电流互相抵消，激励信号电流全部流过电阻支路，对整个并联谐振电路而言，其激励信号的电流与端电压之间的相位差为零。根据以上设计和研究可得，在超声波换能器发生了谐振的时候，它两端的电压和流过它的电流之间的相位相同；然而在失谐的时候，它的的电压和电流之间就会存在一定大小的相位差。所以能够根据电压和电流之间的相位差确定换能器是否谐振。锁相法频率跟踪控制的理论依据就是基于此20。2.3 介绍超声换能器的阻抗特性当超声换能器在远低于其内部固有谐振频率的频率上工作时，其电学特性可以等效为一个电容，即我们通常所说的自由电容Cr。自由电容不仅能够用万用表直接的测出来，还能够在1kHz以下的激励信号作用下测量出来，在换能器的工作过程中，它近似为一常数21。在换能器工作的频率接近它谐振频率的时候，它就会出现很强的非线性及时变性，只要工作频率稍许改变，换能器的机械特性和电阻抗特性就会发生明显地变化。所以能够得出，当它工作在谐振频率的附近时，换能器不仅仅拥有着有静态特性，它还有着能够跟随频率变化面变化的动态特性。 在谐振频率的附近时，压电换能器能够被近似当作一个集总系统，其等效电路如图2-3-1所示。图2-3-1换能器等效电路在图中：C0：静态电容；R0：压电陶瓷的内介电损耗，其影响可忽略；C1：动态电容；L1：动态电感；R1：动态电阻； 这当中C1、R1和L1并不是真正的电学量，它们是根据质量、换能器的损耗以及机械顺性这三者分别折算而得到的等效参数。一般来说把通过C1、L1、R1组成的支路叫做机械臂，而把通过C0、R0所构成的支路叫做电学臂。由所学电路的知识可以知道，换能器的阻抗是： (2.11)这当中，电阻分量R是： (2.12)电抗分量X是： (2.13)由图2-3-1中换能器的等效电路可知，R1、L1、C1构成的支路串联谐振时，集总系统呈容性。这样换能器工作于某一频率的时候，它的电压和电流二者之间就会有一个相位角，这就会达不到所期望的最大值的换能器输出声功率。为使超声电源的能量更加有效地传送至换能器，提高电源系统的功率因数，并能系统工作更加安全、稳定，所以设置调一个谐匹配网络是非常有必要的22。2.4本章小结本章主要是先描述了一个超声波电源主要构成部分，然后再熟悉和了解了超声波换能器阻抗特性的情况下，弄清了在使用换能器上电压与流过它的电流的相位差用作频率自动跟踪系统控制参数的理论依据，为以后超声波电源的频率跟踪控制系统设计提供了理论基础。第三章 研究与设计超声波主电源超声波电源主电路主要包括了整流滤波电路和高频逆变电路两个部分，图3-1与图3-2分别给出了超声波主电路的结构框图和原理图。市电整流滤波电路高频逆变电路高频变压器匹配网络超声波换能器采样电路信号处理电路驱动电路图3-1 超声波主电路结构图图3-2 超声波电源主电路原理图220V交流电被整流滤波转变成为平滑的直流电后，将它送入高频逆变电路中，逆变后产生频率与超声换能器谐振频率一致的交变电压。该交变电压经高频变压器变至所需的工作电压后，通过匹配网络的调谐、滤波后在超声波换能器中工作23。3.1 研究与设计整流滤波电路整流滤波电路被用于把220V/50Hz的单相交流电转换为直流电，以供后续的功率逆变器使用。它的电路原理图如图3-1-1.图3-1-1 整流滤波电路一般来说，为了抑制电流冲击和使直流波形更加平滑都会在整流桥后串联一个电感，但是由于在超声波电源的匹配网络中已经加入了输出变压器及匹配电感，它们也具有了这两个功能，所以在本设计中不使用串联电感部分。经过研究和分析，整流桥选用耐压值700V、额定电流25A的整流二极管模块KBPC2510。为了将较为平稳的直流电压提供给功率逆变器，在整流桥后将并联一个滤波电容Cd。确定Cd的容值非常重要，如果容值太小，整流输出的电压将会很大，在这个时候，为了能获得所需要幅值的输出电压，那就必须要有非常大的占空比调节范围和非常高的控制闭环增益；Cd如果太大，电容的充电电流脉冲宽度就会变窄，因此将导致输入功率因数的下降，同时整流管的损耗及滤波电容也会增加的。一般来说，滤波电容Cd的容值可以使用以下两个公式得到： （3.1）在上面两个式子当中：Upp：经过整流滤波之后直流电压所获得的最大脉动值，这里取值是20V；Win：一个周期中由Cd提供的能量；Umax、Umin：这里采用电压波动的10%来计算，分别取值是242V和198V；Pout：电源输出功率，本设计中取值是3kW；f：输入交流电压的频率，这里取值是50Hz；：电源的效率，在这里取值0.9。代入以上相关的数据，可以得出Cd=1350.6uf。经过整流滤波过之后直流电压的最大值是，所以选择的是2200uF/450V的电解电容。图中的发光二极管D1是拿来显示电源是否接通。3.2 研究与设计高频逆变电路超声波电源里常用的的逆变拓扑机构有三种方式：全桥式、半桥式、推免式。这三种不同种类的逆变器结构不同，都拥有自己的优点和缺点，所以它们能够使用的场合也是不同的24。(1)全桥式逆变电路：因为它有很大的输出功率，所以开关管就不会承受着太高的电压，流过开关管的电流及输出电流都会比较小，但因为它的驱动相对比较复杂，所以需要使用到比较多的开关管，这导致了它的可靠性能比较低，会存在直通和偏磁的问题，因此它适合用于在功率要求比较大的场所。(2)半桥式逆变电路：它的驱动简单，所需要的开关管数量比较少，抗电压不平衡能力很强，成本很低，但因为它的输出功率比较低，而且它同时还存在着直通现象，比因此比较适合在中小功率的逆变装置中使用。(3)推挽式逆变电路：所需开关管数量少，通态损耗比较小，驱动也很简单，但是开关管承受着它直流输入电压的两倍的过高电压，而且还存在着偏磁现象，一般在功率较小、原边电压比较低的逆变器中使用。根据本设计的实际情况考虑，综合了三种逆变电路优点和不足，经过考虑，为了能够满足超声波电源在拥有大功率输出的同时能够更完善的保护功率开关管，提高功率开关管的使用期限，因此本设计打算采用全桥式逆变拓扑结构。图3-2-1的拓扑结构的电路图是全桥式逆变电路。在逆变器甚至于对整个超声波电源中，最为重要的器件之一依旧是功率开关器件，它担负着功率输出、逆变以及频率调节等任务的执行，它的性能直接影响着逆变器的效率和可靠性等各方面，因此选择功率开关器件的显得尤为重要。在超声波电源里面常用的有三种功率开关器件，分别是IGBT、GTR和MOSFET。MOSFET的开关有三种特性，分别是抗击穿特性好、频率高、驱动电路简单，然而它也有缺点就图3-2-1 全桥逆变电路3.3 选择合适的逆变电路功率开关器件是导通电阻和通态损耗相对比较大；而GTR使用的方式是电流驱动，有着比较大的功率容量，但是它有着很低的开关速度和有着严重的二次击穿的问题；对于IGBT来说，它拥有GTR和MOSFET的优点，相当于对它们的优点进行整合而产生的复合器件一样，它拥有了开关速度快、阻断电压高、驱动电路简单、载流能力大的优点，所以他有着非常优越的性能，而且它的开关频率在GTR和MOSFET之间，在现在的情况下能够达到4050kHz。综合上述情况考虑，逆变电路的功率开关器件选用IGBT。选用IGBT管的话就必须首先要考虑的是电路的额定电压及额定电流。（1）额定电流计算每只流过IGBT管的平均电流 （3.2）其中：Uind：市电经整流滤波所得的直流电压，这里为311V，Pout：逆变器输出功率，这里为3kW,0.9：逆变电路的效率。确定逆变电路里流过IGBT的额定电流： （3.2）其中：1.4：Ic减小系数，：峰值系数，1.5：1min过载容量系数，Ics：IGBT额定电流计算值，I流过每只IGBT管的平均电流。为了保证安全，我们在选取IGBT的型号时应该充分考虑开关管的工作裕度，才能保证安全，所以这里采用额定电压和额定电流分别为1000V和60A的CT60AM-20。3.4 设计IGBT缓冲电路的设计超声波电源系统在工作的时候负载经常呈现感性状态，并且在电路里也存在着分布电感，当IGBT快速开关时，就会有非常大的浪涌电压产生在这些感性元器件上，如果当浪涌电压超过了IGBT的安全工作区，就会对其产生严重的损伤25。所以设计一个缓冲电路显得尤为重要，它不仅能够防止瞬间的过压以及过流，降低di/dt、dv/dt，而且还能够有效的减少IGBT管的开关损耗。常用的IGBT缓冲电路有三种，下面表格1具体展示三者之间的不同：表格1 常用的IGBT缓冲电路的比较缓冲电路的类型具有的特点充放电型RCD缓冲电路1它能够有效的抑制住关断浪涌电压。2他和RC缓冲电路相比较，增加了缓冲二极管，这样就增大了缓冲电阻的阻值，当它开通的时候IGBT的功能就不会再受到限制。3与放电阻止型RCD缓冲电路相比较，它的缓冲电路中能产生的损耗相对比较大。续表1RC缓冲电路1它对关断浪涌电压有非常好的抑制效果，一次很适合被用在斩波电路。2当使用了比较大容量的IGBT时，就需要要求缓冲电阻R的阻值足够的小，这样的话会使开通时IGBT集电极上的电流过大，因而让它的功能受到一定程度限制。放电阻止型RCD缓冲电路1它能够抑制住关断浪涌电压。2缓冲元件功能消耗很小，很适合被用在高频开关中。3没有寄生振荡。4过电压的吸收能力相对于充放电型RCD缓冲电路来说要差一点。根据上表中对三种不同的缓冲电路进行具体特点的分析，为了能够更好的去抑制瞬时高电压并且能保护好IGBT功率管，本设计采用充放电型RCD缓冲电路，下面是充放电型RCD缓冲电路的电路图，如图3-4-1。图3-4-1 充放电型RCD缓冲电路如图3-4-1，在IGBT关断的瞬间，负载电流会经D1而向C1开始充电，这样会使原来全部流过IGBT管的电流中有很大一部分转而流向了电容C1，这样就大大的减轻了IGBT的负担，同时也降低了过电压和dv/dt26。在IGBT导通的时候，C1利用T1和R1构成了回路放电。电路中电阻R1的作用是限制它的放电电流和减小C1的充电电流，而D1的作用是提高了C1吸收过电压的效率。3.5 驱动电路的设计IGBT作为电压控制型器件，它的开通及关断受到栅极电压的控制。在实际的工作当中，我们希望的理想状态是IGBT开关损耗小、安全工作区宽、通态损耗低，而且还能够快速的响应驱动信号27。但是由于IGBT的驱动条件会对它的特性参数和安全工作区有很大的影响，因此在这里必须对IGBT的驱动电路进行合理的设计，这样才能保证它正常的工作。一般情况下，IGBT的驱动电路需要满足下面的条件：(1)因为IGBT常被用在高压场合，所以必须要保证驱动电路和整个控制电路严格隔离，从而使控制电路能正常的工作而不受到影响。(2)对于驱动脉冲来说，必须得有陡峭的上升沿和下降沿，因为在IGBT的射级和栅极之间加上前沿很陡的电压，能够使它快速的导通，从而降低了开通的损耗；同样的道理，后沿陡峭的关断电压也可以使IGBT迅速的关断，从而减小关断的损耗。(3)提供的正向栅压UGE取值必须要比较合适，因为UGE越大，它对于减小开通损耗和通态电压就越是有好处，但是对于UGE来说也并不是越大就越好，因为如果UGE太大了的话，就会缩短IGBT能够承受短路电流的时间，这样不利于它的安全工作。所以，UGE取值非常重要，选择一定要合适，一般情况下取值+15V。(4)提供的反向栅压-UGE也必须要比较合适，因为在IGBT断开的时候，一些高频振荡信号不免的会在栅极电路中产生。所以IGBT会因为这些振荡信号而呈现出微通状态，这样就会增加它的功率损耗，甚至在严重的情况下还可能会造成IGBT被烧毁、桥臂的短路直通等后果28。所以给IGBT增加一个反向栅压-UGE就显得尤为重要了。在一般情况下-UGE取值为-5V。(5)最后还需要提供合适的栅极电阻RG，相对于阻值较大的栅极电阻RG来说，它能够改善驱动信号的上升沿和下降沿陡度，也可以减小dic/dt，但是它会导致开关损耗的增加；如果RG太小的话就会使dic/dt增大，从而导致了IGBT的误导通。所以，对RG阻值进行合适的选取显得尤为重要，在一般情况下栅极电阻RG取值l400。对于IGBT驱动模块的选取，本设计选取IR21844S芯片来驱动逆变电路。IR21844S的驱动电路如图3-5-1。图3-5-1 IR21844S驱动电路图图中G1、G2表示的是IGBT的栅极，E1、E2表示的发射极。正如前面所说，为了能够使IGBT管可靠关断，从而去防止因为因密勒效应而产生的误导通现象，当IGBT关断的时候,这里就必须要在它的栅极上加上一个反向电压，一般情况下取值-5V。虽然IR21844S芯片本身是不能够产生负偏压的，但是它能够通过一些外加的无源器件来产生负偏压，如图3-5-1中。若在上下开关管的驱动电路中均增加上负压电路，那么该负压电路由电容及5V稳压二极管组成。它采取的是以下的工作原理：这里IR21844S的供电电压取值为20V，当它上电的时候，电源通过电阻R3给电容C7充电，在充电过程完成后，保持C7上的电压在5V不变。当IN输入低电平的时候，则LO相对于COM的输出高电平为20V，这个时候在下管T2栅射极两侧的电压是15V，T2能够正常的导通；在IN是高电平的时候，LO相对于COM的输出为0V，这个时候在T2栅射极间的电压是-5V，这就提供了IGBT在关断时所需要的负偏压。对于上管T1来说，当IN的输入为高电平的时候，HO相对于VS的输出是20V，这个时候T1栅射极间的电压是15V，T1能够正常的导通；当IN是低电平的时候，HO相对于VS的输出是0V，在这个时候T1栅射极间的电压是-5V。这当中C4在T2导通的时候完成了充电的过程。当选择的负压电容是C4和C7的时候，就必须要求它的容值大于T1和T2栅极的输入寄生电容Ciss。3.6 高频变压器的设计在超声波电源里，一个非常关键的部件是高频变压器，它主要的功能是电气隔离、阻抗变换、电压变换以及功率传输等。它的性能对输出波形的质量和能量传递的效率有很大的影响，如果变压器的性能不太好的话，就可能会严重影响到开关管的安全。所以在设计和制作的时候，要考虑的不仅是变压器的效率和发热情况以及能够保证波形的不失真传输，还必须要尽可能的减小它在高频情况下的损耗，而选择磁芯材料和结构的时候，需要对绕制工艺以及线圈结构等进行非常仔细地考虑并且进行反复的试验29。（1）磁芯材料的选择在正常工作的时候，超声波电源产生的频率一般都会在主频率的上下之间波动，并且变压器的负载一般情况下都是复数阻抗。选择合适的磁芯材料是希望它在超声波电源所产生的频率波动范围内造成尽可能小的能量损耗，即是磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗越小越好。在此之外也要求选择的磁芯材料要具有良好的温度特性和较高的动态磁导率。就当前来看，一般被选用的磁芯材料主要有铁镍合金、铁氧体、硅钢片以及非晶态合金等。根据电磁学的原理可以知道，当它的工作频率和变压器规格相同的时候，如果磁芯材料的电阻率越大，那么涡流的损耗就会越小；相反的情况下是涡流损耗就会越大。因为铁镍合金和硅钢片的电阻率相对比较低，所以他们适用用在低频场合。在高频应用的场合里，就经常选择的是铁氧体或者非晶态合金。对非晶态合金来说，它的磁导率和电阻率都比较高，而且剩磁较低，损耗较小，所以这种磁芯材料的发展前途是非常好的，但是它的磁芯规格不全并且价格比较昂贵。对铁氧体来说，它的电阻率非常高，涡流损耗极小，而且价格还非常便宜，它的缺点就是饱和磁通密度比较低。经过比较和分析，这里变压器的磁芯材料采用锰锌铁氧体。（2）选择合适的磁芯形状在现今情况下，高频变压器里主要使用的磁芯结构有PM型、EI型、EC型、GU型、OD型等。在这当中，PM型结构的磁芯是属于一种半开放式的结构，它的外部是一个闭合的铁心，里面的是绕组，绕组之间的绕合非常紧密，这样就不会产生尖角效应，所以它的杂散场和漏感都比较小，并且因为它本身具有的屏蔽作用，所以它可以很好的抑制住外漏磁场和电磁干扰。经过以上的研究和分析，在这里选择PM型的磁芯。（3）选择合适的磁芯尺寸在选择了合适的磁芯材料和磁心形状后，为了能选择磁芯的型号就必须去估算出磁芯的尺寸。磁芯尺寸的计算可用下面的式子：AcAc=Pt1044BmfK0Kj1.16 （3.3）在本式当中：Kj绕组电流的密度系数，在这里近似的取值230；f工作的频率；Ae磁芯截面积；Ac磁芯窗口面积；Pt计算变压器的功率，Pt=P0(1+1)，是变压器的效率，这里的取值是0.9；P0是变压器的输出功率。K0：窗口的占空系数，这里的取值是0.3；Bm饱和的磁通密度，在这里取值选为0.2T本文设计中的超声电源最大的输出功率是3kW，而输出的频率能够由换能器的谐振频率在18到40KHz之间然后进行调节。将数值代入式中可以得出面积的乘积ACAC。根据面积乘积计算值，再参考下厂家产品规格表就能够确定磁芯的规格和型号。（4）计算出正确的绕组匝数根据法拉第定律求出圆边匝数：Np=V1KffBmAe （3.4）式子中的Kf是波形系数，在正弦波和方波中分别取值4.44和4.0，因为本设计的系统电压是方波，所以取值是4.0。将数值代入式中即可求出圆边匝数。3.7 研究与设计匹配网络电源和换能器之间进行的匹配设计对焊接机、超声波清洗机等功率超声设备非常的重要，一个设计良好的匹配电路它在提高能量的传输效率、减小能量损耗的同时还能为超声设备提供安全高效工作的保障。超声波电源和换能器的匹配主要有阻抗匹配和调谐匹配两种。调谐匹配是能够利用匹配将超声波电源的负载转变成纯电阻，这样就能够让超声波电源的输出功率达到最大化；阻抗匹配是能够利用匹配让电源输出的额定电功率转到换能器，然后将换能器的阻抗当作电源的最佳负载。阻抗匹配的实现是利用超声波电源中的输出变压器30。3.7.1 阻抗匹配当电源电压确定的情况下，超声波电源负载阻抗和它的输出功率的大小关联十分密切。为了能让电源输出达到最大的额定功率，就必须让电源的负载和它的输出阻抗相互匹配。阻抗匹配的实现利用的是输出变压器，电阻匹配的完成利用的是变压器初次级线圈匝数的变换。下面主要介绍的是怎样对变压器的变比进行计算。对于变压器的原边等效电阻RL的功率能够如下：P0=12UAm2RL （3.5）这个式子当中，UAm是等效电阻RL的基波幅值，并且UAm=2Ucc-2Uces2，这当中Uces是开关管的饱和压降，UCC是电源的电压。所以P0也可以用以下式子表示：P0=2Ucc-2Uces22RL （3.6）对于变压器的圆边匝数与副边匝数的比值k可以用下面的式子来计算：k=N1N2=RLRL （3.7）式子当中的N1和N2分别代表的是变压器的原边匝数和副边匝数，RL则是换能器在谐振状态下的等效电阻。3.7.2 调谐匹配根据前面分析的知识可以知道，超声波换能器在工作时有静电容C0的存在，当它在工作一定频率的情况下的时候，它上面的电压U和电流I之间就会有一个相位角，因此将导致不能使换能器输出声功率达到理想的最大值，这样超声波电源的输出效率就大大的降低了。所以为能